金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

1 ナノ粒子回転用ピンセットを円偏波 辺りの適当な倒立顕微鏡を構築し、可視赤色波長レーザーを使用 (660 nm)。実験装置の概略図を図 2に示します。安定した出力とレーザー パワー最大 500 を選択してください mW (約 50 のサンプル平面上における発電 mW)。またトラップ レーザー波長にもコンポーネントの残りの部分を実行するを確認します。 0.95 と 40 倍の倍率の開口数 (NA) と乾燥系対物レンズを使用します。 常に安全ゴーグルを着用し、(特に非可視光レーザーを使用して) 場合に良いレーザー セキュリティを維持します。最小レーザー パワーでの配置を実行します。両方の安全のため、温度ドリフトや光路にほこりを避けるために全体のレーザーの経路をカプセル化します。注: レーザーの出力の偏光状態に応じて光学ピンセットは初期の光学部品として線形偏光板を配置することから寄与できます。レーザーの偏光は、線形が既にある場合は、このコンポーネントが省略できます。 ビーム径がトラップの目的の後ろの絞りよりも少し大きめになるようレーザー ビームを展開するには、ケプラー式望遠鏡の構成 (図 2の下部のレンズ) で肯定的なレンズのペアを使用します。注: これにより、対物レンズの全体の NA の使用し、回折限界フォーカス トラップの11、最適なトラップ剛性の結果が生成されます。 ビーム拡大器後トラッピング レーザー正しく平行光ことを確認します。これ、目的 (またはせん断の干渉計を用いた) を伝搬するとき梁サイズをそのまま閉じてください。 キネマティック ミラー マウントにマウントされている 2 つのミラー (M1 と M2図2) を使用 (および必要に応じて翻訳段階)、顕微鏡のセットアップにレーザ光線を指示します。(注 1) は、レーザー ミラー、ビームスプリッター、波長板など光学要素を追加することができる顕微鏡の間十分なスペースを維持します。注 2: レーザーが眼や顕微鏡を終了する他のアクセス可能な光から離れて常にフィルターされていることを確認します。 ビームスプリッターを使用 (50/50 部分透過/反射はここでは、使用されるが、二色性もうまく) カップル レーザー顕微鏡のセットアップで画像処理、計測機能を失うことがなく、客観的に光を顕微鏡の中。 カメラが含まれます (図 2参照) 以降の実験的観察と記録データのセットアップで。眼のないシステムを使用している場合、これは配置のため不可欠です。 スライド ガラスやミラーにレーザー焦点を当てます。レーザーは、整列し、正しい角度で目的に入る、上と下の焦点ポイントのフォーカスを変更するとき、レーザー強度パターンが放射状に対称です。 (1.9 で説明) の最適なレーザーの配置を取得するレーザー ミラー (M1 および図2 m 2) の角度を微調整します。 レーザー光を偏光円。 目的に光パスに円偏光を直線偏光に変換する光レーザーの偏光に 45 ° で高速自転と指向波長板 (QWP;図 2では λ/4) を介してレーザを渡すサンプル平面。 360 ° 回転可能な直線偏光子との目的の前の電源メーターを設定します。 偏波を確認するには、直線偏光子を回転し、メジャーとマイナーの軸または偏波楕円に相当する最大と最小の電力に注意します。注: 比率は最適な回転性能の 0.9 より高いする必要があります。これに達していない場合は、手順 4.2 ソリューションを参照してください。 サンプル面にレーザー出力を測定します。 光パワーメータを使用して、サンプル面にレーザー パワーをプローブします。捕集力の正しい測定の目的を通過したすべての光を収集するために世話をします。 出力レーザーの線形スイープを実行し、トラップの電力密度に後続の変換のサンプル面に対応する力を記録します。 DF コンデンサーの可視化粒子とイベントのトラップを有効にするを浸漬オイルを用いた照明ケーラーで暗視野 (DF) システムを設定します。これは引っ掛けられた粒子のイメージング分光測定用となります。 2. 計装回転、回転ブラウン動力学と分光学的性質の測定 光子相関分光法単一ピクセル検出器を用いたします。 ナノ粒子からの後方散乱光を抽出するために、光路にビームスプリッター (30R/70T) を挿入します。 高速シングル ピクセル Si フォト ダイオードを信号の記録を有効にするデータ集録カードに接続します。注: 予想される回転の周波数 (数十 kHz) を測定することがフォト ダイオード/DAQ を持つことが重要です。 Xyで固定コレクション繊維上に光の焦点を合わせる-翻訳マウント。コレクション繊維の前に直線偏光子を挿入します。 コレクション繊維配向基板を照らす光の出口の端に可視光をカップルします。これにより可視化と繊維のコレクション領域の解析。 Xyを用いたファイバーの位置を調整する-翻訳をマウント、光学トラップの位置と一致する、コレクションの領域。繊維の出口の端を Si 検出器に接続し、収集バックを最大化するファイバーの位置が微調整散乱信号。 暗視野分光セットアップ。 注意サンプル ・興味のスペクトル範囲内で光を遮断しないために、分光器の間のパスのすべての光学部品を選択する必要がある覚えておいてください。 直接散乱や反射レーザー光分光センサーを損傷する可能性があります注意してください。適切なフィルターとダイクロイック ビームスプリッターを使用してレーザー光をブロックします。常に最小レーザー パワーでセットアップの配置を実行します。 光を分光計にリダイレクトする光パスのビームスプリッター/ミラーを挿入 (このプロトコルで空き領域の結合分析計が使用)。顕微鏡の 1 つの出力ポートを使用できる適切な場合。 ノッチ フィルターを使用すると、強烈なトラップ レーザー光 (レーザーの波長で OD12 私たちのケースで十分な閉塞に必要であった合計のフィルター) を他の場合興味のナノ粒子のスペクトル応答を隠すを削除できます。 ガイディング ・ ミラー (M1 と M2図2) によって光ピンセットの位置を調整するそれは分光器のスリットの位置と一致するようにします。注 1: 光学トラップの位置の変化光子相関測定システム (指示 2.1.4-2.1.5) の再編が必要になります。(注 2) 光学ピンセットの新しい位置指示 1.9 1.10 のも合わせ光トラップに達するために繰り返される必要があります。 3 実験手順 実験のため粒子の調製 ・ ディ ・水の粒子を希釈します。ナノロッドの適切な濃度が 0.1 0.01 間の範囲内にする必要があります午後。2 分離れて可能な骨材を破るし、ソリューションを均質に超音波クリーナー風呂で希釈した溶液を超音波照射します。 複数の粒子の捕捉を避けるために希釈ナノロッドの濃度を調整します。実行される長い実験濃度は低くトラップ複数の粒子や汚染のリスクを減らすために必要です。 サンプル セルの準備。 顕微鏡のスライドとアセトンとその後 5 分間超音波処理下イソプロパノール カバー ガラス (1.5 号) をそれぞれ洗ってください。注: 実験中にスライド ガラスの表面の電荷がコロイド状ナノ粒子として同じ極性を持っていることを確認します。界面活性剤ヘキサデシルトリメチル アンモニウム臭化 (CTAB) によって安定化されたナノ粒子は正に帯電します。 スライド ガラスにも 100 μ m スペーサー テープを配置します。 カバー ガラスと 2 μ L 内顕微鏡スライド上の希薄ナノ粒子溶液 2 μ L を分散します。両方の表面のソリューション サンプル セルのより制御可能なアセンブリできます。 チャンバー内の空気の泡の形成を回避しながら一緒にサンプル セルの 2 つの部分を接続します。 顕微鏡ステージ上にセルを配置し、コンデンサーのサンプルと一滴の上に屈折率整合 (浸漬) オイルの滴を配置します。各側避ける気泡が光を散乱し、DF 照明のコントラストを低下させるオイルの滴。 実験を実行します。 DF イメージング システムの観察を通して粒子を探します。単一ナノロッドは通常そのブラウン運動 (骨材に比べてより不安定) と色 (最強の LSPR 共鳴に対応) の観察によって識別されます。 開始/解除トラップ レーザー。 舞台上の動きやフォーカス修正の一連、レーザーの伝搬方向に水のガラス インターフェイスに放射圧によって選ばれた粒子をプッシュします。界面、 z-動きは、放射圧とナノ粒子表面に CTAB 分子および正荷電の表面の間のクーロン斥力のバランスによって制限されます。Xy-変動は光ピンセットでグラデーションの力によって限られています。 小さなフォーカス修正を通じて (3.4 の命令で後述) として自己相関データから正確に測るトラップ安定性や回転の速度を最大化します。 この時点で、回転力学およびトラップのナノロッドの分光特性を記録します。これらを検出する方法は 3.4 と 3.5 の下の指示を参照してください。これは、最大で数時間必要な場合、時間の長時間にわたって行うことができます。 回転ダイナミクス計測。 常にその並進運動中に粒子の画像を囲むのに十分な大きさの繊維からコレクションの領域を持っていることを確認します。 適切なプローブ周波数およびコレクションの時に Si 受光素子と発振信号を収集強度。手始めに 65536 Hz と取得時間: 1 秒を選択し、必要に応じて調整します。注: 頻度を調査する必要があります少なくとも 2 つ (および最適 10) 検出回転対称 (N、次に見なさい) の程度を掛けた回転数より大きな回。コレクションの時間はローテーションの頻度よりかなり低い周波数を取得することができるのに十分な長さであるべきです。 回転ナノ粒子から強度ゆらぎデータのセットを収集後強度ゆらぎの相関を計算します。これは各遅延時間τの自身の時間遅れのコピーと信号の相関を計算することによって行われます (i.e.,C(τ) = {私(τ) ·私(0)})。 理論的自己相関関数にフィットを実行します。私0が平均強度、1 私は強度ゆらぎの振幅で、N は検出可能な回転対称性 (棒状粒子 N = 2)2,3度。 フィットから (回転ブラウン運動ダイナミクスに関連する) 自己相関信号τ0の回転周波数f腐敗と崩壊時間を抽出します。 分光学的測定値。 照明光を集めると、白い光のスペクトル (私白(λ)) を記録します。これは、高密度均一に表面にポリスチレンのビードを散乱と散乱応答を収集を分散させることによって行うことができます。 粒子がトラップされないときトラップ スポットで迷光を集めることによってバック グラウンド スペクトル (私bkg(λ)) を記録します。注 1: 別のサンプル細胞およびサンプル内位置間背景のプロパティで大きく異なりますので、個々 の計測値の行うこの必要があります。注 2: バック グラウンド スペクトルの記録は、同じレーザー出力の光トラップの使用としての行ってください。これはスライド フォーカス高レーザー光強度によって励起されたガラスから任意の可能な自動蛍光を削除することができます。 とき (私の暗い(λ))、ダーク スペクトルを記録器に来るすべての光を遮断します。(私生(λ)) 引っ掛けられた粒子の生スペクトルを記録します。 実際ナノ粒子散乱スペクトルを計算することによってアクセスします。 LSPR ピーク位置に関する情報を抽出するには、金のバンド間遷移の線形補正項を含む bi ローレンツピークプロファイル フィット関数とエネルギー スケールで DF 散乱スペクトルを適合します。モデル関数を読み取ります。Eはエネルギー、私Bは基準強度、 k線形補正の斜面、私は私が Γ私半分のマキシマ (半値幅) とE0、iで全幅強度マキシマ二つのローレンツ峰のピーク位置。 4. トラブルシューティングと一般的な問題の解決策 金ナノロッドのプロパティに関連する問題。 貧しい捕捉安定性。 主な共鳴 (ナノロッドの場合通常縦共鳴) がトラップ レーザー波長の青色波長側にあることを確認します。されていない場合は、グラデーションの力に反発魅力的な37の代わりになります。 ナノロッドのサイズが減少すると、ブラウンの変動の増加と同時に動き働くストークス抗力から安定力が低下します。ナノロッドがxyに十分な大きさを確保-力が不安定になるこれらを克服するために勾配力。 重複または広いスペクトルの特徴。 棒 LSPR のピークが十分を分離して個別に解決するための十分な大きさ縦横比を持っている必要があります (図 1b参照)。メモ: レーザ波長は長い棒の縦 LSPR 赤方偏移以来形状異方性の上限を置きます。 ナノ粒子はこれは解析が複雑になりますので、表示領域における高次 LSPR モードをサポートしないように十分に小さいが望ましい。ナノ粒子の選択は、この考察と 4.1.1.2 の命令でトラップの安定性の問題との間のバランスです。 トラップ レーザーの不十分な円偏光。注: 閉じ込められたナノ粒子の回転の最適なパフォーマンスを実現するには、試料面に到達するレーザー光がする円偏波。ビームスプリッターと他の光学部品は、偏光依存性、のみ QWP を使用して完全な円偏波を取得することは不可能であることをすることができます。 ビームスプリッターの複屈折を補うために、パスに QWP 後半波長板 (HWP;図 2では λ/2) を挿入します。 直線偏光子とメーターの電源構成を設定し、(指示 1.11.2-1.11.3) のようにレーザーの偏光状態の解析を行います。 各位置は、QWP の 5 度の単位で、5 度の手順で全角度範囲 (90 °) において HWP を回転させるし、各位置のための電力比を測定します。最大値と最小電力比を最大化する QWP および HWP の角度を見つけるために努力します。注: 我々 の経験で最大と最小の力の最大比率だったなし 0.75 と HWP 補正 0.98。 インターフェイスに付着粒子レーザー xyで粒子を制限する不十分な力の平面。 安定化制御 CTAB 濃度の洗浄手順とナノロッドの後続の再分散粒子による界面活性剤の濃度を調整します。 ナノ粒子の原液を遠心分離機、粒子堆積物 (600 g 〜 5 分) まで。 懸濁液を削除します。 水に再分散します。これは、希釈原液の CTAB コンテンツです。 4.3.1.1 の手順を繰り返します。4.3.1.2。もう一度。注: CTAB はコロイドの安定化剤として機能するので、過剰なの遠心分離の時間と集計のリスク増加、CTAB で流されているので洗浄のステップが成功のスピードを避けてください。 元のコロイド溶液における CTAB 界面活性剤のほとんどが削除されますので、コロイド状に CTAB の新しい、よく制御された濃度を導入できます。私たちの経験から十分なクーロン斥力を生成する表面被覆率実験ソリューション濃度結果に CTAB と後続の DI 水希釈液 20 μ m の水に原液を分散します。 CTAB 濃度の可能な微調整は、ナノ粒子の使用の特定のバッチのための適切な粒子/表面反発を作成に必要な場合があります。上記の手順を反復処理し、適切な 1 つを見つけるに CTAB 濃度が微妙に変わります。 ガラス面の負電荷表面に洗浄します。注: この洗濯手順 2 D トラップ中に正と粒子の静電反発に作り、実験用ソリューションで無料の CTAB 分子で被覆が負荷電表面を生成します。 顕微鏡スライドを取るし、水の混合物と表面が目に見えて親水性になるまで約 10 分の 80 ° C に加熱する基本的な洗剤の 2 wt % できれい。注: は、多孔質ガラス表面を作るとこ汚染粒子の多数を作り出すので、あまりにも長いまたは厳しく、スライド ガラスの洗浄を避けてください。 光子相関分光法の問題。 強度振動やノイズの多い信号の振幅が小さい。 コレクション ファイバー、レーザー光とブロック暗視野照明光を通る前にバンドパス フィルター (図 2の BP フィルター) を挿入します。注: 原則として、測定作品同様すべての光を集めるとき。ただし、偏光されていない白い光 DF を平面モードから効率的に励起し、ナノロッド光軸に垂直な平面で、その短い軸を中心に回転、これは垂直な方向のうち LSPR。このモードは回転中に任意の形状異方性を運ばないし、対雑音比測定の信号を減らすそれから光を集めるだけ。 自己相関関数の減衰を追加。 コレクション光ファイバーのコアのサイズはすべて並進ブラウン運動のため、ツアーの中にナノ粒子のイメージを格納するのに十分な大きさであることを確認します。 サイズが小さすぎてコアのファイバーを使用している場合、大きな 1 つを置き換えます。 手順 2.1.4-2.1.5 のように、新しい繊維の配置を確認します。